李 坤，孫運強，姚愛琴

(1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原030051;2.中北大學信息與通信工程學院，山西太原030051)

0 引言

隨著經濟的發(fā)展，人們對安全防范的要求也越來越高。安防行業(yè)迅速發(fā)展，其應用范圍也在不斷擴大，在智能化樓宇和智能化小區(qū)相繼熱潮之后，又一個新興的領域—校園的智能安全管理系統的建設在各地也相繼掀起了熱潮［1］。學校是人口密集區(qū)，場地分散、管理人員少，而且學生生性好動、防范意識差。不法分子潛入校園進行盜竊、搶劫、以及校園暴力事件時有發(fā)生，而保安在校園安全維護方面起著舉足輕重的作用，巡更保安必須盡職盡責，以減少校園犯罪事件的發(fā)生，對保安系統的規(guī)范化管理則顯得意義重大，在這種情況下，校園電子巡更系統應運而生。

校園電子巡更系統應用美國的GPS全球衛(wèi)星定位系統、GIS系統結合現代通信技術，存儲保安的巡更時間、巡更路線的地理數據，能夠在控制終端重現巡更軌跡，并能夠在遇到突發(fā)事件的時候及時向控制中心發(fā)出警報信號。

1 總體設計

校園電子巡更系統主要包括兩部分:手持巡更儀部分利用GPS衛(wèi)星定位模塊接收GPS衛(wèi)星數據，通過單片機提取時間、經度、緯度等有用數據并對得到的有用數據進行存儲和控制，而且在出現緊急突發(fā)事件的時候，巡更人員能夠通過無線收發(fā)模塊向控制終端發(fā)送攜帶巡更人員地理位置數據的警報信息?？刂平K端部分主要由控制界面和具體的校園電子地圖組成，巡更人員需要把每天的巡更數據通過串口傳送給上位PC機，以便重現巡更人員的巡更軌跡。系統總體框圖如圖1。

圖1 系統總體框圖

2 巡更儀電路設計

電路主要包括:Atmega16L單片機控制電路、GPS接收電路、數據存儲電路、無線傳輸電路、電源管理電路。電路結構如圖2。

圖2 電路結構

2.1 核心控制部分

處理核心選用8位低功耗微控制器ATmega16L，具有片內16 K字節(jié)的程序存儲器，1 K字節(jié)的數據存儲器和512字節(jié)的E2PROM。它具有32個通用I/O口線、32個通用工作寄存器、實時時鐘RTC、1個USART、8通道10位ADC、具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器、SPI串行端口、與IEEE 1149.1規(guī)范兼容的JTAG測試接口，此接口同時還可以用于片上調試，以及六種可以通過軟件選擇的省電模式［8］。其中使用了PD0(RXD)引腳接受Leadtek 9548GPS傳送的GPS數據，并對數據進行處理，考慮到單片機內部的flash存儲空間較小，可利用ATmega16L的PA組口進行存儲擴展，這里使用的是K9F3208并口數據存儲芯片。可以通過兩種方式向上位PC機傳送數據，一是通過ATmega16L的串口外接MAX232芯片，輔助外圍電路，通過PC機的RS232通用串行接口傳輸，二是通過ATmega16L的SPI接口外接NRF905無線收發(fā)模塊向控制中心傳輸數據，這種傳輸功耗較大，只在出現突發(fā)情況的時候采用這種傳輸方式。ATmega16L模塊控制電路如圖3。

圖3 ATmega16L模塊控制電路

2.2 GPS定位部分

GPS衛(wèi)星定位部分由Leadtek 9548GPS核心模塊，輔助以外圍電路組成。Leadtek 9548GPS模塊核心采用美國瑟孚公司設計的SIRFStarIII低耗電量衛(wèi)星定位接收晶片，有20個通道，能夠確保最高的接收靈敏度;內部有可充電電池，可以保存星歷數據，便于快速定位;標準的MMCX天線接口，便于連接GPS天線;標準NMEA0183信號輸出;工作電壓低(3.3～5.0 V直流)，工作電流小(49 mA)，接收靈敏度為－159 dBm;TTL電平數據輸出，每秒一次GPS全數據;支持多種串口通訊波特率，標準設定為 4 800 bps。Leadtek 9548GPS電路圖如圖4。

圖4 Leadtek9548GPS電路圖

2.3 無線部分

無線傳輸部分以無線收發(fā)模塊NRF905為核心。該模塊使用433 M開放ISM頻段，最高工作速率50 kbps，高效GFSK調制，抗干擾能力強，內置硬件CRC檢錯，最大發(fā)射功率:+33 dBm，模塊在以最大功率發(fā)射信號時瞬間電流<=500 mA，TX Mode:在+33 dBm情況下，平均工作電流小于300 mA;RX Mode:12.5 mA。模塊在收發(fā)模式切換時間<1 ms，模塊可軟件設地址，只有收到本機地址時才會輸出數據，可直接接各種單片機使用，軟件編程非常方便。放置在開闊地無線通信距離可達2 000 m，如果配置高增益天線，則通信距離可以達到更遠。由于該模塊發(fā)射功率較大，在不需要發(fā)送數據的情況下要切換到接收模式或者睡眠模式。

NRF905利用SPI接口與ATmega16L進行通信，該模塊提供了9×2標準DIP間距接口，方便我們與單片機的連接，接口電路如圖5。

圖5 接口電路

2.4 數據存儲部分

數據存儲采用三星公司的K9F3208存儲芯片，存儲容量4 MB，工作電壓(2.7～5.5 V)數據地址共用內部總線，接口簡單。

3 上位機PC端

上位機PC端接收數據有兩種方式，一是通過標準RS232串口，二是通過帶串口擴展的NRF905收發(fā)模塊，只需要把該模塊的串口插頭直接插在PC機上供電，通過軟件設定收發(fā)模塊地址相匹配即可正常使用。軟件主要包括兩部分:一是校園電子地圖的制作，針對不同的學校需要制作不同的電子地圖。本設計在MapInfo軟件平臺上載入中北大學jpg格式的校園圖，并把實地采集的經緯度信息錄入校園圖中從而完成電子圖的配準。按照高校特點將電子地圖分為道路層、教學實驗樓、學生公寓樓、教師公寓樓、商業(yè)服務建筑、文娛體育設施等圖層。運行MapX下的Geoset Manager應用程序，新建一個名為NUC的Geoset文件，將上述圖層添加進去，組成一個后綴為gst的地圖文件:NUC.gst，通過MapX控件將校園地圖圖嵌入到系統界面中，從而完成電子地圖的繪制和顯示。上位機PC端用VB6.0編程［7，4］。

4 PC機通過串口提取數據流程圖

本設計中，巡更儀FLASH中存儲的數據主要通過標準RS232串行通信口向PC機傳送。PC機通過串口向巡更儀發(fā)送獲取數據請求，巡更儀CPU檢測到該請求后開始向PC機發(fā)送數據，流程圖如圖6。

圖6 PC機提取數據流程圖

5 實驗結果

本設計實現了電子地圖的制作與控制、巡更儀對巡更人員位置數據的提取與處理。系統運行后的界面如圖7。

圖7 系統運行后的界面

6 結束語

結合現在電子巡更技術的發(fā)展，本文采用ATmega16L、Leadtek 9548GPS、NRF905、K9F3208，在VB 環(huán)境下結合MapInfo軟件平臺設計了校園電子巡更系統。實驗表明，該系統性能穩(wěn)定，通信效率高，功耗低，適合應用于小區(qū)電子巡更領域。

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